외란에 강인한 4족 보행 로봇 퐁봇의 보행 제어 알고리즘 연구 :A Study on Walking Control Algorithm of Quadruped Robot, PongBot Robust for Disturbances

곽노식

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자료유형: 학위논문

저자정보: 곽노식 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 김정엽

발행연도: 2020

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이용수33

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

외란에 강인한 4족 보행 로봇 퐁봇의 보행 제어 알고리즘 연구

곽노식 기계설계로봇공학과 2020.01 학위논문

2019

4족 보행 로봇 PongBot의 지면 기울기에 대한 몸통 균형 제어의 실험적 구현

곽노식 , 김정엽 대한기계학회 논문집 A권 2019.12 학술저널

4 족 보행 로봇 퐁봇의 지면기울기에 대한 몸통 균형 제어

곽노식 , 김정엽 대한기계학회 춘추학술대회 2019.04 학술대회자료

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본 논문에서는 지면 기울기, 외부 충격과 같은 외란이 존재하는 환경에서도 강인하게 동작할 수 있는 4족 보행 로봇의 보행 알고리즘에 대해 서술하였다. 제안된 보행 알고리즘은 기본적으로 보행 패턴 생성기와 자세 안정화 제어기로 구성된다.
보행 패턴 생성기는 개의 걸음새를 분석한 정보로부터 로봇의 걸음새와 참조 Zero Moment Point (ZMP) 궤적을 생성하며, Double Preview Control을 통해 안정적인 로봇의 질량 중심 위치를 도출한다. 자세 안정화 제어기는 몸통 균형 제어기와 몸통 이동 제어기로 구성되며, 보행 패턴 생성기에서 고려하지 못한 외란에 대응하기 위해 설계되었다. 몸통 균형 제어기는 도립 진자 모델을 이용한 관측된 상태 피드백 제어기로부터 로봇의 균형을 유지하기 위한 안정화 토크를 도출하며, Quadratic Programing(QP) 최적화 방법을 통해 각 다리의 참조 지면 수직 반발력으로 분배된다. 각 다리는 힘/ 위치 하이브리드 제어기를 통해 참조 지면 수직 반발력을 생성한다. 몸통 이동 제어기는 카트 도립 진자 모델을 이용한 비례 미분 제어기로부터 참조 ZMP 이동 시간과 이동 거리를 도출하며, 해석적 방법을 통해 참조 ZMP 궤적을 생성한다. 보행 패턴 생성기와 몸통 균형 제어기가 통합된 보행 알고리즘에서는 보행 시 다리에 발생하는 스윙, 스탠스 상태간의 원활한 천이를 위해 각 다리의 참조 지면 수직 반발력을 조정하는 다리 제어 입력 천이 전략과 스윙 다리에 분배된 지면 수직 반발력을 지지 다리의 참조 지면 수직 반발력으로 재분배하는 전략이 추가되었다.
최종적으로 본 연구를 위해 개발한 토크 제어가 가능한 4족 보행 로봇 퐁봇을 통해 지면 기울기, 지면 장애물, 외부 충격이 존재하는 환경에서의 보행 실험을 수행하였고 제안된 보행 알고리즘의 성능을 검증하였다.

In this paper, we proposed the walking algorithm of the quadruped walking robot, which can operate robust even in environments where exists, such as ground slope and external impacts. The proposed walking algorithm consists of a walking pattern generator and posture stabilization controller.
The walking pattern generator generates the robot''s gait and reference Zero Moment Point (ZMP) trajectory from the data analyzing the dog''s gait, and derives the stable robot''s mass center position through double preview control. The postural stabilization controller consists of the body balance controller and body moving controller, and is realized to cope with the disturbance which was not considered in the walking pattern generator. The body balance controller derives stabilizing torque to maintain the balance of the robot from the observed state feedback controller using the inverted pendulum model, and is distributed by reference vertical ground reaction force of each leg through the Quadratic Programming (QP) optimization method. Each leg creates a reference vertical ground reaction force through the force/position hybrid controller. The body moving controller derives the reference ZMP traveling time and traveling distance from the PD controller using the cart-inverted pendulum model, and generates the reference ZMP trajectory through analytical methods. In the walking control algorithm integrated with the walking pattern generator and body balance controller, the strategy of leg control switching to adjust the reference vertical ground reaction force of each leg for smooth transition between the swing state and stance state of legs, and the strategy of redistributing the reference vertical ground reaction force distributed on a swing leg to the reference vertical ground reaction force of the support legs were added.
Finally, with the torque-controlled quaduped walking robot Pongbot developed for this study, walking experiments in the environment where ground slope, ground obstacle, and external impact exist was performed, and the performance of the proposed walking algorithm was verified.

#4족 보행 로봇 #자세 안정화 #보행 패턴

I. 서 론 1
II. 4족 보행 로봇 PongBot 소개 5
III. 자세 안정화 알고리즘 8
1. 몸통 균형 제어 8
1) 수학적 모델링 10
2) 안정화 토크 도출 12
3) 지면 수직 반발력 분배 14
4) 지면 수직 반발력 생성 16
2. 몸통 이동 제어 21
1) 수학적 모델링 22
2) 참조 ZMP 및 CoM 궤적 생성 24
IV. 보행 패턴 생성 알고리즘 27
1. 발 패턴 생성 28
2. CoM 궤적 생성 32
V. 통합 보행 알고리즘 33
1. 스윙 다리 지면 수직 반발력 재분배 34
2. 다리 제어 입력 천이 전략 36
VI. 실험적 검증 39
1. 몸통 균형 제어 실험 40
1) 외부 충격 외란 실험 40
2) 지면 기울기 외란 실험 43
2. 자세 안정화 제어 실험 47
3. 통합 보행 알고리즘 실험 50
VII. 결론 55
Appendix A 57
1. Task-Space Computed Torque Control 57
참고문헌 59
영문초록(Abstract) 62
감사의 글 64

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